沙漠陆面过程参数化与模拟

沙漠地区植被稀疏、干旱少雨,其陆面物理过程具有与全球其它地区显著不同的特点.本文利用巴丹吉林沙漠观测资料,分析和计算了地表反照率、比辐射率、粗糙度和土壤热容量、热传导系数等关键陆面过程参数,建立了适合于沙漠地区的陆面过程模式DLSM (Desert Land Surface Model),并与NOAH陆面过程模式的模拟结果和观测资料进行了比较.结果表明:巴丹吉林沙漠地表反照率为0.273,比辐射率为0.950,地表粗糙度为1.55×10^-3 m,土壤热容量和热扩散系数分别为1.08×10⁶ J·m^-3·K^-1和3.34×10^-7 m²·s.辐射传输、感热输送和土壤热传导过程是影响沙漠地区地表能量平衡的主要物理过程.通过对这三种过程的准确模拟检验,DLSM能够较准确地模拟巴丹吉林沙漠地气能量交换特征;短波辐射、长波辐射和感热通量的模拟结果与观测值间的标准差分别为7.98,6.14,33.9 W·m^-2,与NOAH陆面过程模式的7.98,7.72,46.6 W·m^-2的结果接近.地表反照率是沙漠地区最重要的陆面过程参数,地表反照率增大5%,向上短波辐射通量随之增加5%,感热通量则减小2.8%.本文研究结果对丰富陆面过程参数化方案,改进全球陆面过程模式、气候模式具有参考意义.     

巴丹吉林沙漠沙山粒度组成与沙山地貌分带

为查明巴丹吉林沙漠东南部沙山的成因与发育机制,在沙山密集分布的中心地区选择典型高大沙山作为研究对象,将单个沙山的物质组成与地貌分带相结合进行系统、定量的研究.通过粒度分析获得了沙山不同剖面、不同部位沉积物的粒度组成和各粒级含量的变化等数据,并进一步探讨了粒度组成和含量变化与沙山地貌分带、形成风动力条件之间的相互关系.得出以下主要结论:1.巴丹吉林沙漠沙山粒度组成为粗粉砂、极细砂、细砂、中砂、粗砂.其中细砂含量最高,中砂、粗砂次之,极细砂和粗粉砂含量均较少.2.沙山迎风坡表层沉积物的粒度比迎风坡下层和背风坡表层要粗,其搬运介质的平均动能也最大.3.从沙山坡脚到坡顶粒度组成均呈现由粗变细的趋势,这是由它们的形成过程和受到的动力作用存在差异决定的.4.沙山迎风坡不同部位的坡度、沙丘类型与分布在纵向上存在明显差异,可将其分为风蚀粗化的平沙洼地带、稀疏简单的新月形沙丘或沙丘链带、密集叠置的新月形沙丘及沙丘链带、陡峭的主峰带等4个地貌带.5.组成沙山的风沙物质不是一次搬运到达沙山中上部的,而是经过了多次的风力搬运阶段才达到的.     

Climatic Controls of Saguaro (Carnegiea Gigantea) Regeneration: A Potential Link With El Niño

Saguaro cacti establish periodically in cohorts during years that are climatically favorable. Determining the establishment year is complicated by age-height relationships that vary considerably from site to site and require extensive data collection. Estimations of age-height relationships for only a few locales have thus limited the ability of researchers to estimate age in other populations, and consequently to relate periods of regeneration to climate. We collected data for 254 saguaros in the arid western portion of the species' range and employed a recently developed site-specific technique for estimating saguaro age to reconstruct the population structure at this locale. Second, we used discriminant analysis to determine which climate variables best predict regeneration years. We found that above-average temperatures in November coupled with concurrent high soil moisture levels, conditions typically associated with El Niño years, are associated with years characterized by high regeneration. Accordingly, these results suggest that El Niño events may be related to years of favorable regeneration for saguaros.     

库姆塔格沙漠地表物质组成、来源和风化过程

通过对库姆塔格沙漠地表沉积物样品进行重矿物和主量元素分析,获得了其矿物和元素组成特征:矿物种类多,绿帘石和角闪石含量为主;化学组成上以Si、Al为主,和上陆壳平均化学组成相比,除Si、Ca外都有一定的亏损,Fe、Mg、Ca、P、Ti、Mn等元素的变异系数较高。库姆塔格沙漠地表沙物质组成特征与阿尔金山北麓出露的岩石和冲、洪积扇物质组成基本一致,与塔克拉玛干沙漠也有很大的共性,反映了库姆塔格沙漠地表沙物质主要来源于阿尔金山。沙漠北区强烈的东北风将阿奇克谷地和疏勒河下游的河湖相沉积物搬运至沙漠腹地,构成另一个重要的沙物质来源。A-CN-K图解揭示了库姆塔格沙漠地表物质化学风化程度很低,处于较弱的去Na、Ca阶段,其他元素未发生明显的化学风化或迁移;A-CNK-FM图解表明,库姆塔格沙漠地表物质在搬运、沉积过程中Fe、Mg等元素发生显著分异,其原因主要是铁镁质矿物由于磨损、分选作用遭破碎和风化,使粒度较粗的沙漠沙Fe、Mg等元素相对亏损。     

毛乌素沙地古城反演的地表水环境变化

古城址是研究历史时期区域人类活动及环境变化过程的良好时空坐标。毛乌素沙地中的大多数古城池都建在当时的绿洲之中,对其现状近水条件和分布格局等的研究发现,秦汉以来毛乌素沙地的地表水环境整体呈恶化趋势,主要表现为湖沼湿地的萎缩和消失、外流河下切加剧但水量减小、部分常年河变成时令河、泉眼消失等等,但同时也存在着局部水环境的改善现象,突出表现为红碱淖等湖沼在清末民初的出现和扩大。究其原因,毛乌素沙地历史时期地表水环境的变化,总体上与气候变化过程一致,但清末以来人类开发活动的加剧对地表水环境变化也有重要影响。     

古尔班通古特沙漠纵向沙垄植被空间异质性

在古尔班通古特沙漠南部纵向沙垄上按5 m×10 m的网格测度植被样方100个,采集浅层风沙土样品184件。调查发现,乔灌木层片和草本层片的分布及相互关系明显受沙垄地形影响,并且在干旱环境下种群间的竞争和空间上的互补使两层片生态优势度具有显著的相关性。地统计分析结果显示,纵向沙垄上植被空间异质性表现为木本层片的物种多样性呈斑块状分布,草本层片物种多样性呈现平行沙垄的带状结构和斑块结构叠加的特点,而植被盖度则在垂直沙垄走向的方向上具有强烈的梯度性变化。和沙垄土壤理化性质空间格局特征相对比,植被盖度及物种多样性与风沙土浅层含水量在自相关空间（变程）及空间异质性程度上比较接近。这是纵向沙垄小生态系统中草本植物和浅层土壤水分耦合关系在空间上的反映,也是木本植物对水分和土壤资源在小尺度（m）上竞争及中小尺度（10～100 m）上互补的结果。     

基于实地观测的库姆塔格沙漠风场时空变化特征研究

库姆塔格沙漠分布在新疆东部,罗布泊洼地以南,阿尔金山以北,向东可延伸至甘肃敦煌的西部,总面积2\^29万km2,是我国第6大沙漠。该沙漠内部气候极为干旱,植被稀疏,是我国最后一个开展全面考察的沙漠。通过对建在库姆塔格沙漠内东部和西部的两个自动测风站和南北的两个自动气象观测站在2007年10月至2008年9月的观测资料,结合相应时段MICAPS通过VSAT接收到的地面风场格点资料,对沙漠内部风场的日变化、季节变化以及起沙风的特征进行了分析,结果表明:①由于受南面阿尔金山高大山体的阻挡作用,库姆塔格沙漠的风场存在明显的日变化,表现出类似山谷风的风向转换规律,白天以上山的偏北风为主,夜晚以下山的偏南风为主,不同的季节山谷风的转化时间相应地不同。②冬季沙漠整体以偏南风为主,夏季偏北风占主导,而春秋季沙漠北部仍以偏北风为主,而沙漠东部和南部出现偏南风,沙漠西部为偏东风。③起沙风速的特征表现为:沙漠整体以偏北风为主,沙漠北部和西部以偏东北风为主,南部和东部以偏西北风为主,风向在沙漠中部从北向南由东北转为北,到了沙漠南部转为偏西北风向东南方向流去,风向的转变与库姆塔格沙漠沙丘走向最后转向东南是一致的。     

Grain-size characteristics and climate variability in TMS5e sequence of Tumen section in southern Tengger Desert, northwestern China

The TMS5e sequence from the Tumen section,at the southern edge of Tengger Desert in the northwestern China,is synchronous with Marine Isotope Stage 5e(MIS5e).It consists of 16 layers of aeolian dune sands,11 layers of lacustrine loess-like facies,and 5 layers of lacustrine facies.The results of grain-size analysis shows that the palaeo-mobile dune sands,palaeo-fixed to semi-fixed dune sands and loess-like sandy loams are mainly composed of sands,ranging from 70% to 96%;their silt contents ranged from 4% to 20%,and their clay contents ranged from 1% to 5%;the climate under which the aeolian dune sands were deposited is similar to that under which modern mobile dune sands form,which is caused by the dominance of the cold,dry East Asian winter monsoon.In contrast,the lacustrine loess-like facies and lacustrine facies had a lower sand contents than those of the three aeolian dune sands,but have higher silt and clay contents,most of their sand content ranged from 30% to 60%,their silt contents ranged from 35% to 55%,and their clay contents ranged from 6% to 20%.The lacustrine loess-like facies and lacustrine facies formed under the influence of the warm,humid East Asian summer monsoon based on their similarity with modern sediments.The grain-size indicator Mz(mean grain diameter) and the SC/D value in the TMS5e sequence indicate climatic insta-bility at the southern edge of the Tengger Desert during MIS5e,with at least 14 fluctuations between a warm,humid climate and a cold,dry climate,divided into five stages:TMS5e5(139 kyr to 129.3 kyr B.P.),TMS5e4(129.3 kyr to 124 kyr B.P.),TMS5e3(124 kyr to 119.5 kyr B.P.),TMS5e2(119.5 kyr to 116.5 kyr B.P.),and TMS5e1(116.5 kyr to 113.7 kyr B.P.).These correspond roughly to MIS5e5,MIS5e4,MIS5e3,MIS5e2,and MIS5e1,respectively,in the GRIP ice core data.     

巴丹吉林沙漠东南缘查格勒布鲁剖面CGS1层段粒度特征及其指示的全新世千年尺度气候变化

位于巴丹吉林沙漠东南缘的查格勒布鲁剖面CGS1层段记录了全新世以来显示风力强弱的沙丘砂与黄土堆积旋回。以Md（Φ）、Mz（Φ）的5 Φ（31.5 μm）为界,可以划分出10个“C1-C10”明显的和1个“C11”较弱的（<5 Φ）旋回变化。其中,有7个属于沙丘砂与之上覆黄土或古土壤构成的旋回。这些旋回在Md（Φ）、Mz（Φ）上显示出多谷峰波动的形式。不仅如此,粒度的σ、SC/D值和>63 μm含量亦随之响应。研究认为,CGS1层段粗粒和细粒层位Md（Φ）等参数和>63 μm含量的变化分别代表了东亚冬夏季风的作用过程;冬季风时期的C1与北大西洋IRD事件的冷期B0和B1,C2、C3、C4依次与B2、B3、B4,C7、C9、C10依次与B5、B6、B7在时间-气候性质上具有很好的对应;北大西洋B8冷期在CGS1中没有明显表现,但仍然能够在Md（Φ）、Mz（Φ）曲线上看到这是一个<5 Φ的低值时期,而>63 μm的含量相应增高;C5、C6和C8寒冷时段虽未见于北大西洋,但在中国一些地点却有发现。这些由若干粒度指标反映出来的寒冷事件表明,在全新世东亚夏季风活动盛行的总的形势下还存在频繁的千年尺度的冬季风波动。而尤为重要的是这些寒冷事件存在的与北大西洋寒冷事件的遥相关的关系表明,除C5、C6和C8以外的CGS1粒度记录的寒冷事件都隐含了北大西洋的强烈信号。从这个意义上来说,笔者讨论的内容可为全新世北半球的D/O震荡及其形成机制提供一个比较理想的东亚季风变化与中国沙漠区域环境响应的地质证据。     

准噶尔荒漠小山蒜的形态与生物量特征及其相互关系

小山蒜(Allium pallasii)是中国新疆特有的类短命植物。调查了准噶尔荒漠16个20 m×20 m样地内小山蒜种群的分布概况,研究了小山蒜盛花期的生物学特征、器官生物量分配及其相互关系。结果表明:①小山蒜多生于沙丘中下部,密度为0.187株·m–2;平均株高为(22.93±5.15)cm,多为3片叶;花序近球形,平均半径(2.44±0.37)cm,纵断面角度211.39°±60.4°,表面积和体积分别为(50.95±34.19)cm2和(43.37±29.45)cm3。②其形态指标(平均叶长、4个花球指标及鳞茎直径)间、生物量指标(根生物量除外)间,及二者之间多为显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关,协同生长关系较强。③小山蒜生物量分配呈鳞茎>花葶>花球>叶片>根的格局,根冠比为0.873,生殖分配占49.66%。④形态指标与生物量间均呈α<1的异速生长关系,而生物量指标间多为等速关系,其中地上、地下生物量间符合α=3/4的异速关系。⑤生物量估测表明,小山蒜单株地上生物量平均为0.312 g,单株地下生物量平均为0.264 g,种群总生物量密度仅为0.106 g·m-2,其生物量在整个荒漠生态系统中可忽略不计,但它作为准噶尔荒漠重要而独特的种质资源,应从多个方面深入研究,同时进行适当保护。